固体电介质的介电常数课件

1、2.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗2.1.1 电介质极化 电介质的极化：在外电场作用下，使介质中彼此中和的正 负电荷产生位移，介质表面出现束缚电荷 介电常数表示电介质极化强弱。 平行平板电容器， 极间为真空时：放置固体介质,电容量将为：相对介电常数：电介质的r值（20C时）：气体r接近于1， 液体和固体大多在26之间。电容器： 选取r较大的材料；其他电气设备：选用r较小的电介质。交流和冲击电压下：串联的多层电介质的电场强度分 布与各层电介质的r成反比。 极化型式：电子式、离子式极化、偶极子式、夹层极化。(一)电子式极化有外电场 ：原子中的电子轨道发生弹 性位移，正、负电荷作用 中心不再重

2、合，对外呈电性无外电场：介质中原子（分子）正、电 荷作用中心重合，不显电性。特点： 1、完成极化需要的时间极短；约1015s。 2、弹性极化，外场消失，正、负电荷作用中心 重合，对外呈中性，不产生能量损耗。电子式极化存在于一切电介质中图2-1 电子式位移极化(二) 离子式位移极化离子式极化:存在于（离子式结构）固体无机化合物中。有外电场时：正、负离子将发生方向相 反的偏移，使平均偶极矩 不再为零，介质呈现电性。无外电场时：晶体的正、负离子对称 排列，各个离子对的偶 极矩互相抵消，故平均 极矩为零。介质呈中性。特点：1、弹性位移极化，外电场消失 后即恢复原状，无损耗。 2、所需时间很短（约101

3、21013s)， 几乎与外电场频率无关。 3、随温度的升高极化程度增强， 原因：介质体积膨胀，离子间距增大，相互作用力减弱。 图2-2 氯化钠晶体的离子式极化 -钠离子极化前后的位置 -氯离子极化前后的位置(三)偶极子式极化极性电介质（胶木、橡胶等）：分子中正、负电荷作用中心 永 不重合，具有固有的电矩，为一电偶极子。无外电场时：因分子热运动，介质 中电偶极子杂乱无序 的排列，宏观电矩等 于零，整个介质对外 不呈现电性。有外电场时：介质中电偶极子沿电 场方向定向排列，介 质对外呈现电性。特点：1、极化所需的时间也较长，106102s。 极化程度与外施电源频率有较大关系，频率提高，极化减弱。 。

4、 2、极化过程需要消耗一定的能量 （a）无外电场 （ b）有外电场2-3 偶极子式极化(四)夹层极化夹层极化：多种电介质组成的绝缘结构中出现的极化现象。例：平行板电极的双层电介质绝缘外施电压，各层介质上的电压将从开始时按介电常数分布逐 渐过渡到稳态时按电导率分布，在电压重新分配 的过程中，夹层界面上会积聚起电荷夹层极化。t=0时合上开关，电压分配与电容成反比：t= ,电压分配将与电导成反比：(a)双层电介质 (a)等值电路 图2-6 直流电压下双层电介质的夹层极化即C1、C2上的电荷需要重新分配。一般：设：C1G2，则： t=0时， U1U2 t 时， U1f0，偶极子转向跟不上外加电场极性变

5、化， r随频率的增加而减小。与温度的关系：温度低， r较小；温度提高， r增大；温度过高，分子热运动加剧，对偶极子的转向有阻滞作用， r随温度的提高减小。图2-4 极性液体电介质的r与频率关系图2-5 极性液体、固体电介质的r与频率关系三、固体电介质的介电常数 中性和弱极性固体: 仅存在电子式和偶极子式极化，r值较小，其值随频率及温度变化较小。中性：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、云母、石棉等。 极性固体电介质： r值，值较大。 与频率和温度的关系：与极性液体介质相近。极性固体电介质有：树脂、纤维、橡胶、有机玻璃、涤纶等电介质的电导与金属电导有本质区别.、电介质的电导气体的电导：自由电子、正离子和

6、负离子在电场作用下定向移动形成。固体、液体的电导：主要为离子电导，由化学分解或热电离所产生的正负离子沿电场方向移动形成。电导率：表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率电泳电导：存在于液体介质，载流子为带电的分子团，通常是 乳化状态的胶体粒子（如绝缘油中的悬浮胶粒）或 细小水珠，吸附电荷后变成了带电粒子。电介质的电导:电子电导、离子电导、电泳电导电子电导：介质中自由电子，其数目数极少，电子电导很微弱离子电导： 本征离子电导：介质分子本身的离解产生的带电粒子 杂质离子电导：介质中的杂质离解形成的带点粒子 .电介质的电导一、液体电介质的电导中性（弱极性）液体：杂质离子电导、电泳电导，电导率较

7、低极性液体：本征离子电导、杂质粒子电导、电泳电导，电导率较高。固体、液体介质的电导率与温度T 的关系：A、B 为与介质有关的常数，T 为绝对温度，K 。二、固体电介质的电导中性（弱极性）固体：杂质离子电导、电泳电导，电导率较低极性液体：本征离子电导、杂质粒子电导、电泳电导，电导率较高。.、电介质的损耗介质损耗：在电场作用下电介质中引起的能量损耗。直流下：仅有电导引起的损耗。交流下：电导损耗极化损耗 。交流电压下，介质中的 电流及相量（）等值电路（）相量图图电介质的等值电路和相量图 （一）介质损耗基本概念P=U2Cptan 式中 电源角频率tan ； 介质损耗角 介质损耗因数图电介质的并联等值电

8、路和相量图电介质的并联等值电路 电介质的串联等值电路由相量图有：由于：所以：介质损耗角 值一般很小rRP（a) 串联等值电路 （b）相量图图 2-8 电解质的串联等值电路(二)电介质的损耗 气体介质损耗 分子间距大，相互作用力弱，无极化损耗，外电场较小不足以引起气体电离时，仅有电导损耗，其值tan10-8。 当气体中的电场强度达到放电起始场强E0时，气体发生局部放电，损耗将急剧增大。 液体介质损耗 中性和弱极性液体介质 介质的极化损耗很小，主要由电导引起。 电导率与温度为指数关系，介质损耗随温度的增加以指数规律变化。 变压器油 20 tan0.5% ; 70 tan2.5% 极性液体 介质除了

9、电导损耗外，还存在极化损耗。 tan与温度的关系如下图。 tan与频率的关系图2-9 极性液体介质tan与温度的关系 图2-10 极性液体介质tan和与频率的关系 固体介质损耗(1)无机绝缘材料 云母、陶瓷、玻璃云母：由电导引起损耗，介质损耗小，耐高温性能好，是 理想的电机绝缘材料，但机械性能差；电工陶瓷：既有电导损耗，又有极化损耗；20C、50Hz时 2-5；玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分有关。(2)有机绝缘材料。可分为非极性和极性非极性有机电介质（聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯)： 不含杂质时，只有电子式极化，损耗取决于电导；与 温度关系决定于电导率-温度关系；与频率关系较小。如聚乙

10、烯， 在-80-+100 温度范围内，在很高的频率范围内tan变化范围仅为0.01%-0.02%, 化学性能稳定，不吸潮、具有弹性、机械加工简单，为良好的固体电介质、可用于制造高频电缆、海底电缆高频电容器。 缺点：耐热性较差 。极性有机电介质（聚氯乙烯、酚醛树脂、胶木、绝缘纸)： 极化损耗大，其tan -温度及 tan 频率关系与极性液体介质相似。电介质tan(%)电介质tan (%) 变压器油0.050.5聚乙烯0.010.02蓖麻油13交联聚乙烯0.020.05沥青云母带0.21聚苯乙烯0.010.03电瓷25聚四氟乙烯2 实际冲击电压发生器采用图5-19的回路 图5-19(二)多级冲击电

11、压发生器R-充电电阻rd-阻尼电阻图5-23 放电过程等值电路C1-主电容 C2-试品电容(三)冲击电压发生器的近似计算冲击电压波形定义:T1视在波前时间T2视在半峰值时间雷电冲击电压：T1=1.230%sT2=5020%s 近似分析计算有：T13(R11+R12) T20.7R2(C1+C2）R12波前电阻，可用于调整T1R2波尾电阻，可用于调整T2二、操作冲击试验电压的产生(一)非周期性双指数冲击长波国家标准规定为250/2500us(二)衰减振荡波采用国际电工委员会(IEC)所推荐的一种操作波装置。 图5-255.4 高电压测量技术 测量高电压仪器和装置 静电电压表 可测交流、直流电压，

12、不能测冲击电压 分压器+峰值电压表 可测直流电压、交流电压幅值、冲击电压峰值 分压器+高压脉冲示波器 可测冲击电压的波形，幅值、波前时间T1 和半波时间T2 球隙测量装置 可测直流电压、交流电压峰值、冲击电压U50% 电压互感器+低压电压表 可测交流电压有效值，用于供电系统高电 压测量高电压测量误差要求： 3% 一、高压静电电压表 原理：在两个特制的电极间加上电压u，电极间就会受到静电力f的作用，而f的大小与u的数值有固定关系，测量f的大小就确定所加电压u的大小。图 静电电压表原理图测量方法：可动电极在静电力作用下偏转，带动指针或光标指示被 测电压值交流电压下 U电压有效值F一周期内力的平均值

13、直流电压下 U为平均值 图 国产200kV静电电压表外形图1-可动电极 1-保护电极 2-固定电极 3-光栅4-可动反光镜 5-大反光镜 6-电压指示标尺 7-绝缘支柱 8-底座 9-光线我国已有测量电压达500kV的静电电压表特点：直接测量，直观方便二、峰值电压表和分压器配合，用于测量工频电压、冲击电压的峰值。(一)利用整流电容电流来测量交流高压(二)利用电容器充电电压来测量交流电压被测电压峰值(一)球隙的优点(1)击穿延时小，具有比较稳定的放电电压值和较高的测量精度测量误差约为2%3% ；(2)50%冲击放电电压与静态放电电压幅值几乎相等；(3)不需对湿度进行纠正。(二)球隙的放电电压 标准球隙放电电压表 确定50%的放电概率常用10次加压法，即对球隙加上10次同样的